Atmel AT42QT1085八键QTouch触摸传感器IC深度解析

在电子设计领域，触摸传感器IC的应用越来越广泛，Atmel AT42QT1085就是一款备受关注的八键QTouch触摸传感器IC。下面，我们就来详细了解一下这款芯片。

文件下载：ATEVK1085A.pdf

一、芯片特性

1.1 QTouch传感器通道

AT42QT1085最多支持八个按键，为设计提供了丰富的按键布局选择。

1.2 集成触觉引擎

触觉事件可以由触摸检测触发，也能通过SPI由主机微控制器控制，这为用户带来了更加直观的操作反馈。

1.3 数据采集

采用QTouchADC按键测量/触摸检测方法，可配置测量时序和平均次数，并且运用了扩频电荷转移技术。通过SPI接口还能读取通道测量的原始数据，方便工程师进行数据分析和调试。

1.4 GPIO引脚

拥有12个专用双向GPIO引脚，另外最多还可增加4个引脚（替代按键）。这些引脚可配置为软件PWM驱动、数字输入或输出，大大增强了芯片的灵活性。

1.5 设备设置

设备配置可以存储在NVRAM中，方便后续使用。

1.6 操作特性

具备上电复位和欠压检测功能，内部有校准振荡器，保证了芯片的稳定运行。

1.7 按键尺寸和间距

按键轮廓尺寸为6 mm × 6 mm或更大（取决于面板厚度），形状多样，包括实心或环形。按键中心间距为7 mm或更多（取决于面板厚度）。

1.8 电极材料和基板

电极材料可以是蚀刻铜、银、碳、ITO等；电极基板包括PCB材料、聚酰胺FPCB、PET薄膜、玻璃等。

1.9 面板材料和厚度

面板材料可以是塑料、玻璃、复合材料、涂漆表面（低颗粒密度金属漆也可行）。面板厚度最大为10 mm玻璃或5 mm塑料（取决于电极尺寸）。

1.10 按键灵敏度

可通过SPI接口单独配置，满足不同应用场景的需求。

1.11 信号处理

具备自校准、自动漂移补偿和噪声滤波功能，还采用了专利的相邻按键抑制（AKS）技术，确保按键检测的准确性。

1.12 接口

采用主/从SPI接口，最高可达750 kHz，基于对象的通信协议方便数据传输。

1.13 电源

工作电压范围为2.0 V至5.5 V，适应多种电源环境。

1.14 封装

有32引脚5 × 5 mm QFN和32引脚7 × 7 mm TQFP两种RoHS兼容封装可供选择。

二、引脚和原理图

2.1 引脚配置

AT42QT1085的引脚众多，不同引脚有不同的功能，如GPIO引脚可用于通用输入输出，SPI相关引脚用于数据通信等。具体引脚功能可参考文档中的引脚列表，未使用的引脚需按照要求进行连接，例如SS引脚需通过100 kΩ电阻上拉到VDD。

2.2 原理图

典型电路中，要注意一些关键元件的连接和参数设置。如旁路电容，Vdd数字电源需使用一个100 nF和一个1 µF的旁路电容，AVDD需使用一个100 nF电容，且100 nF电容应尽量靠近芯片安装。系列Rs电阻（Rs0 – RS7）用于限制静电放电（ESD）电流和抑制射频干扰（RFI），大多数应用中阻值在4.7 kΩ – 33 kΩ之间，最大可到100 kΩ。

三、芯片概述

3.1 简介

AT42QT1085是一款基于Atmel原理的易于使用的QTouchADC模式传感器IC，适用于各种触摸按键应用。它有四个专用通道配置为按键（Key 0 – Key 3），12个专用GPIO通道（GPIO_0 – GPIO_11），另外四个通道可配置为按键或GPIO通道（Key 4 – Key 7或GPIO 12 – GPIO 15）。

3.2 资源

配置AT42QT1085需要参考《AT42QT1085 Protocol Guide》，其他相关文档可联系Atmel触摸技术部门获取。

3.3 用户界面布局和选项

• 按键：有八个按键，可通过设置Key T13对象中的位来单独启用或禁用。
• GPIO端口：12个专用可配置GPIO引脚，最多还可通过替换四个按键获得四个额外的GPIO引脚，可通过设置GPIO Configuration T29对象中的位来启用或禁用。
• 保护通道：可防止同一相邻按键抑制（AKS）组中其他按键的误触检测。保护通道通过更大的触摸电极面积和更高的增益/更低的阈值使其比AKS组中的其他通道更敏感。当保护通道处于检测状态时，芯片保持空闲模式，并且不会对保护按键检测进行触摸自动校准。

3.4 接近效应

任何通道都可作为接近传感器，通过使用较大的电极并调整QTouchADC和阈值配置选项来实现，具体可参考《QTAN0087 Proximity Design Guide》。

3.5 SPI接口

AT42QT1085是SPI从模式设备，采用四线全双工SPI接口，有SS、SCK、MOSI和MISO四个标准SPI信号，还有一个CHANGE信号用于指示有消息等待读取，避免主机持续轮询。

3.6 操作模式

周期时间、自由运行和睡眠模式由Power Configuration T7对象设置控制。

3.7 触觉引擎

可配置为响应触摸检测、GPIO引脚状态变化或主机微控制器的需求播放选定的触觉效果，有多种触觉效果可供选择，如强点击、尖锐点击、软碰撞等，具体可参考《QTAN0085 Haptics Design Guide Application Note》和《AT42QT1085 Protocol Guide》。

四、详细操作

4.1 复位

• 复位注意事项：上电或复位时，所有输出禁用，CHANGE引脚需通过10 kΩ至1 MΩ电阻上拉到VDD来定义复位期间的电平。初始复位阶段结束后，CHANGE输出启用并拉低。可通过Command Processor T6对象请求软件复位。
• SPI功能延迟：复位期间SPI接口不可用，通常在复位信号变高或上电后50 ms内SPI开始工作，CHANGE拉低并保持，直到主机微控制器读取消息服务器，指示上电或复位后初始化序列完成。
• 触摸检测延迟：上电或复位后，芯片会对所有电极进行校准，此期间无法报告触摸检测，校准在15个突发周期后完成，约150 ms（典型QTouchADC设置），从复位或上电到设备完全功能共需200 ms。
• 复位后模式设置：复位后，设备从非易失性存储器加载配置设置，可为之前存储的设置或默认设置。

4.2 校准

校准是传感器芯片评估每个通道背景电容的过程，通道仅在上电和满足特定条件时校准，如通道启用、满足触摸自动校准设置、信号变化达到抗触摸阈值或用户发出重新校准命令等。校准开始和完成时会生成状态消息，全局校准会对所有通道一起校准，ATCHCALTHR重新校准仅对单个通道校准。

4.3 通信

• 通信简介：AT42QT1085作为从设备通过全双工4线（MISO、MOSI、SCK、SS）SPI接口通信，CHANGE引脚用于指示有消息等待读取。主机控制时钟和数据传输，不同模式下开始SCK前有不同的延迟要求，SS必须在通信交换期间保持低电平，开始新的通信交换前需将SS拉高一定时间。
• CHANGE引脚：是开漏引脚，每次通过SPI传输读取消息后释放，若有更多消息待处理，芯片会将下一条消息加载到消息处理程序并重新拉低CHANGE引脚。

4.4 信号处理

• 上电自校准：上电或复位后，所有通道通常在200 ms内校准并可操作。
• 漂移补偿：自动校正每个按键的参考电平，抑制因温度、湿度、灰尘等环境因素引起的误检测，具体配置可参考《AT42QT1085 Protocol Guide》中的Touch Configuration T16对象。
• 检测积分滤波器：采用触摸检测积分机制，通过计数器确认检测，当计数器达到预设限制时判定传感器被触摸，若信号未超过阈值则计数器清零重新开始，可通过Key T13对象配置。
• 相邻按键抑制（AKS）技术：用于检测相邻对象中被触摸的对象，只有触摸变化最强的对象会被指示，AKS组中的对象被检测到后，该组内其他对象在释放前不会再被检测，可通过Key T13对象配置。

4.5 操作模式

• 基本操作模式：包括活动、空闲和睡眠模式，空闲和活动模式的周期时间由Power Configuration T7对象设置，检测到触摸时设备切换到自由运行模式，若检测积分滤波器未确认检测则返回空闲模式，检测到按键按下则切换到活动模式并生成消息。
• 睡眠模式：睡眠模式电流消耗最低，处于微安级别，此模式下不进行采集，输出GPIO保持进入睡眠前的最终状态，若进入睡眠时正在播放触觉效果，效果会暂停，退出睡眠且触发条件仍满足时会继续播放。
• 电源顺序：Vdd和AVdd应由单个电源供电，上电时确保连接到设备的线路电压不高于Vdd，避免RESET信号通过RESET引脚向Vdd电源寄生耦合功率。

4.6 调试

可通过读取Debug Signals T4对象获取原始数据进行开发和测试，具体可参考《AT42QT1085 Protocol Guide》。

4.7 配置

AT42QT1085采用基于对象的协议，可通过Object Protocol对设备进行配置，使用前需对一些对象进行配置并将设置写入非易失性存储器，具体对象包括Power Configuration T7、QTouchADC Configuration T49、Key T13等，可参考《AT42QT1085 Protocol Guide》。

五、SPI协议

5.1 SPI信号

SPI接口用于主机和AT42QT1085之间的高速同步数据传输，采用主从关系，AT42QT1085作为从设备。SPI使用四个逻辑信号：SCK、MOSI、MISO和SS，信号操作有特定要求，如SCK空闲时为高，MISO和MOSI在下降沿设置、上升沿读取，SS在通信交换期间保持低电平，交换结束后需拉高一定时间才能开始新的交换。

5.2 通信协议

• MOSI数据：主机在MOSI上传输3字节命令序列，设置内存映射地址指针、读写指示和读写字节数，读写方向由Byte 0 Bit 0设置，内存映射地址用15位表示。
• MISO数据：不同情况下MISO返回不同值，默认返回0x55，写入时返回0xAA，出现错误时返回0xEE。
• 写操作：主机按特定格式在MOSI上发送数据，MISO相应返回0x55或0xAA。
• 读操作：主机按特定格式发送命令，MISO返回从内存映射地址读取的数据。

六、开始使用

6.1 与主机通信

AT42QT1085通过SPI总线与主机通信，具体通信方式可参考文档中SPI相关内容。

6.2 建立联系

主机上电或复位后应尝试读取信息块信息，检查设备是否正常运行和有无配置错误。

6.3 使用对象协议

AT42QT1085采用基于对象的协议，主机需进行初始化，包括读取对象表中所有对象的起始位置和大小，计算报告ID以正确解释设备消息，具体可参考《AT42QT1085 Protocol Guide》。

6.4 写入设备

通过SPI写操作向相应对象写入数据，如向Command Processor T6对象发送命令，向Power Configuration T7对象配置设备功耗等，具体可参考文档中SPI写操作格式和《AT42QT1085 Protocol Guide》。

6.5 读取设备

通过SPI读操作从设备读取数据，具体可参考文档中SPI读操作格式。

6.6 配置设备

使用前需对一些对象进行配置，默认值为零通常会禁用功能，配置后需将设置写入非易失性存储器，具体对象和配置方法可参考《AT42QT1085 Protocol Guide》。

七、规格参数

7.1 绝对最大规格

包括Vdd电压范围、最大连续引脚电流、引脚电压范围和配置参数最大写入次数等，超出这些规格可能会对设备造成永久性损坏。

7.2 推荐工作条件

涵盖工作温度、存储温度、Vdd电压、电源纹波和噪声、Cx横向负载电容、GPO电流和温度变化率等，在这些条件下设备能更好地工作。

7.3 SPI总线规格

包括数据位数、数据传输方式、时钟空闲状态、最大时钟速率、字节间最小时间、最小低时钟周期、最小高时钟周期和通信交换间延迟等，这些参数确保SPI通信的正常进行。

7.4 复位时序

包括上电到CHANGE线拉低、硬件复位到CHANGE线拉低和软件复位到CHANGE线拉低的时间，不同复位方式有不同的时间要求。

7.5 电流测量

不同配置和周期下，在5 V、3.3 V和2 V电源电压下有不同的电流测量值，工程师可根据实际需求选择合适的配置。

7.6 机械尺寸

介绍了32引脚5 × 5 mm QFN和32引脚7 × 7 mm TQFP两种封装的尺寸和相关注意事项。

7.7 标记

不同封装有不同的标记方式。

7.8 零件编号

介绍了不同零件编号的含义和对应的封装类型。

7.9 湿度敏感度等级（MSL）

MSL评级为3，峰值本体温度为260 oC，符合IPC/JEDEC J-STD-020标准。

总之，Atmel AT42QT1085是一款功能强大、性能稳定的触摸传感器IC，在触摸按键应用中具有很大的优势。但在实际设计中，工程师还需要根据具体需求和应用场景，合理选择和配置芯片，以达到最佳的设计效果。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎一起交流探讨。